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Einrichtung zur Kompensation zufälliger Bewegungen von optischen Geräten
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Praktisch werden meistens kompliziertere Systeme mit mehreren aus Linsenpaaren bestehenden Prismen verwendet werden, wobei weitergehende optische Korrekturen möglich sind. Filmkameras, die mit der erfindungsgemässen Kompensationseinrichtung versehen sind, erlauben auch Panoramaschwenkungen, wenn eine automatisch arbeitende Nachstelleinrichtung für den Kreisel vorgesehen ist, die bei einer einen kleinen vorherbestimmten Winkelbereich überschreitenden Bewegung des Gehäuses den Kreisel nachführt. Auf diese Weise gleicht die erfindungsgemässe Einrichtung kleine unwillkürliche Bewegungen aus, aber nicht grössere gewünschte Bewegungen der Kamera.
Zu diesem Zweck weist eine Weiterbildung der erfindungsgemässen Einrichtung das Merkmal auf, dass zwischen den gerätefesten und den pendelnd gelagerten Teilen eine mit zunehmendem Auslenkwinkel progressive Bremsung der Relativbewegung vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 schematisch eine Kamera oder ein ähnliches optisches Gerät mit einer gehäusefesten Bildebene im Aufriss, wobei das optische System eine erfindungsgemässe Kompensationseinrichtung besitzt ; Fig. 2 das Gerät von Fig. 1 im Grundriss, wobei das Gehäuse gegenüber der Visierlinie verschwenkt ist, um die Kompensationsbewegung des stabilisierten Linsensystems zu zeigen ; Fig. 3 eine Kamera im Grundriss mit der Konstruktion der Kompensationseinrichtung ; Fig. 4 eine Stirnansicht der Kamera von Fig. 3 ;
Fig. 5 und 6 je ein Diagramm über die Abhängigkeit der Nachstellkraft für den Stabilisierungskreisel von der Winkelabweichung des Kameragehäuses, wodurch Panoramaschwenkungen möglich sind und doch kleine Abweichungen von der Visierlinie ausgeglichen werden ; Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch einen Teil einer Kamera mit einer Ausführungsform einer Nachstelleinrichtung für den Kreisel ; Fig. 8 eine Ansicht gemäss Linie 8-8 von Fig. 7 ; Fig. 9 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 7, mit einer andern Ausführungsform der Nachstelleinrichtung und Fig. 10 eine Ansicht gemäss Linie 10-10 von Fig. 9.
In den Fig. 1 und 2 ist die Erfindung ganz allgemein am Beispiel einer Filmaufnahmekamera erläutert, die ein Gehäuse --11-- und ein Objektiv --12-- zur Fokussierung der eintretenden Lichtstrahlen auf ein Filmfenster-13--, das in der Brennebene --14-- angeordnet ist, besitzt. Die erfindungsgemässe Kompensationseinrichtung ist ebenfalls im Gehäuse untergebracht. Sie besteht aus einem Linsensatz-16--, der den optischen Ausgleich bei Winkelabweichungen des Gehäuses von der ursprünglichen Visierlinie --17-- bewirkt. Der Linsensatz befindet sich an der Vorderseite des Gehäuses und richtet die eintretenden Lichtstrahlen auf das Objektiv, indem er als variables Prisma (Abatscher Keil) wirkt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Linsensatz --16-- aus einer positiven Plankovex-Linse-18-und aus einer negativen Plankonkav-Linse-19--. Die beiden Linsen passen mit ihren gekrümmten Flächen aneinander, sie sind gegeneinander schwenkbar und eine davon, im vorliegenden Fall die negative Linse-19-, ist koaxial zum Objektiv --12-- im Gehäuse befestigt. Die andere Linse, im vorliegenden Fall die positive Linse-18--, wird mittels eines Kreiselstabilisators--21--parallel zur ursprünglichen Visierlinie--17--ausgerichtet gehalten.
Die aneinanderpassenden, gegeneinander schwenkbaren Linsen-18, 19- bilden ein Prisma, dessen brechender Winkel gleich gross ist wie die Winkelabweichung 0 des Gehäuses von der Visierlinie, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Für ein dünnes Prisma ist der Ablenkwinkel (n-1) a, wobei n der Brechungsindex des Prismenmaterials und a der brechende Winkel des Prismas sind.
Wenn der brechende Winkel des aus den Linsen gebildeten Prismas a = 0 ist, lautet die vorstehend angegebene Formel 0 = (n-l) 0. Nimmt man an, dass die Linsen aus einem Material mit einem Brechungsindex n = 2 bestehen, ist m . Wenn die Lichtablenkung des Prismas die gleiche Richtung hat wie die Winkelabweichung des Kameragehäuses, so werden die vom Prisma abgelenkten Lichtstrahlen in das Objektiv parallel zu dessen Achse eintreten. Das Objektiv wird deshalb ein Parallelstrahlenbündel vor und nach der Lageänderung des Gehäuses auf denselben Punkt--24-des Filmfensters fokussieren.
Analoge Kompensationen erfolgen auch für Lageänderungen in einer lotrechten Ebene oder in beliebigen schrägen Richtungen.
Die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemässen Einrichtung wurde zunächst an Hand eines einfachen Ausführungsbeispieles unter Annahme eines Materials mit einem Brechungsindex n = 2 beschrieben. Tatsächlich ist aber ein Brechungsindex n = 2 in der Praxis schwer erzielbar. Daher wird bei einer technisch und wirtschaftlich günstigen Ausführungsform der Kompensations-Linsensatz als Zwillingssatz ausgebildet, wobei jeder einzelne Satz aus aneinanderpassenden, gegeneinander schwenkbaren Plankonvex-und Plankonkav-Linsen besteht. Jedes Elementenpaar des Zwillingssatzes ist auf die vorher beschriebene Weise angeordnet und bildet bei Verschwenkungen des Kameragehäuses einen Abatschen Keil. Die gesamte Ablenkung der Lichtstrahlen durch den Zwillingssatz muss wieder der Winkelabweichung 0 des Gehäuses gleich sein.
Bei einem Brechungsindex n = 1, 5 für beide Einzelsätze verursacht jeder Einzelsatz eine Ablenkung um den halben Schwenkwinkel des Gehäuses.
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Selbstverständlich können die Brechungsindices der beiden Einzelsätze untereinander verschieden sein, lediglich der gesamte Ablenkwinkel des Zwillingssatzes muss dem Schwenkwinkel des Gehäuses gleich sein. Weiters kann als Alternativlösung zu dem aus zwei vollständigen Einzelsätzen bestehenden Zwillingssatz ein kompakter Zwillingssatz aus einer Bikonkav-und einer Bikovex-Linse verwendet werden, um einen dem Schwenkwinkel des Gehäuses gleichen Ablenkwinkel zu erzielen, wofür ebenfalls ein Material mit einem Brechungsindex n = 1, 5 erforderlich ist.
Für eine detailreichere Darstellung der Erfindung wird auf Fig. 3 verwiesen, in der eine Filmaufnahmekamera gezeigt ist. Der Kompensations-Linsensatz-26-ist ein Zwillingssatz mit den Einzelsätze-27 und 28--, deren jeder aus Plankonkav-und Plankovex-Linsen-29 und 31 bzw. 32 und 33-gebildet ist, wobei die Linsen mit aneinanderliegenden Oberflächen gegeneinander schwenkbar sind. Die Linsen-29 und 32-sind mit dem Gehäuse --34-- der Kamera fest
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Kameragehäuse kardanisch aufgehängt ist, u. zw. an waagrechten Achsstummeln ---40-- und an lotrechten Achsstummeln --41--, deren Achsen die optische Achse der Kamera schneiden.
Dieser Schnittpunkt und Mittelpunkt der Bügel ist notwendigerweise auch der Krümmungsmittelpunkt der aneinanderpassenden Flächen der Linsenelemente der Zwillingssätze.
Der Kreisel besteht aus einem Rotor-42--, der in einem Gehäuse --43-- drehbar
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liegt--47-- ist ein zweifach reflektierendes Prisma-49-- (oder eine optische äquivalente Anordnung von zwei Spiegeln) vorgesehen.
Der Kreisel-38-des Kreiselstabilisators-37-kann auf verschiedene Art angetrieben werden. Der Antrieb kann über eine Zugschnur und ein Getriebe, über einen Druckluftmotor od. dgl. erfolgen, welche mit dem Kreiselrotor verbunden sind. Vorzugsweise ist jedoch hiefür ein Elektromotor - -51-- vorgesehen, der im Kreiselgehäuse eingebaut und über eine Welle mit dem Rotor verbunden ist. Bei transportablen Kameras ist der Motor zweckmässigerweise für Batteriebetrieb ausgelegt.
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und 33--parallel zur ursprünglichen Visierlinie und stabilisiert das Bild auf die beschriebene Weise.
Ausserhalb dieses Winkelbereiches dürfen die Achsen der mit dem Kreisel verbundenen Linsen nicht mehr länger parallel zur ursprünglichen Visierlinie ausgerichtet bleiben, denn dann wäre trotz des Kameragehäuses keine Panoramaschwenkung möglich. Daher ist für den Kreiselstabilisator eine Nachstelleinrichtung vorgesehen, um ihn bei Kameraschwenkungen, die einen kleinen vorherbestimmten Wikelbereich überschreiten, der Bewegung des Gehäuses nachzuführen. Zu diesem Zweck kann die Nachstelleinrichtung --52-- mit dem Kreisel in Wirkverbindung treten.
Da die Reaktionsbewegung eines Kreisels rechtwinkelig zu der auf ihn ausgeübten Kraft erfolgt, übt die Nachstelleinrichtung eine Kraft in der waagrechten oder x-Richtung aus, wenn das Kameragehäuse in bezug auf die Visierlinie in lotrechter oder y-Richtung über einen, einen vorherbestimmten kleinen Bereich überschreitenden Winkel verschwenkt wird. In analoger Weise übt die Nachstelleinrichtung eine Kraft in der lotrechten
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abhängig. Wenn also das Gehäuse in der lotrechten oder y-Richtung verschwenkt wird und dementsprechend der Magnetpol relativ zur Scheibe ebenfalls in der y-Richtung verschoben wird, ist die durch die Wirbelströme verursachte Kraft tangential zu dem dem Magnetpol gegenüberliegenden Teil der Scheibe gerichtet, demnach in x-Richtung.
Eine solche Kraft verstellt den Kreisel in der y-Richtung und, da sie in Abhängigkeit vom Radius an der Scheibe an dem sie wirkt, linear zunimmt, steigt die auf den Kreisel wirkende Nachstellkraft mit grösser werdender Abweichung zwischen Scheibe und Magnet bzw. Winkelabweichung des Gehäuses von der Visierlinie. Wenn das Gehäuse in der x-Richtung verschwenkt wird, liegt die tangential auf die Scheibe wirkende Kraft in der y-Richtung.
Die Grösse der Kraft hängt wieder von der Abweichung zwischen Scheibe und Magnet ab, so dass die Kraft bei zunehmender Abweichung des Gehäuses in x-Richtung grösser wird und der Kreisel in x-Richtung mit einer Geschwindigkeit nachgeführt wird, die bei grösser werdenden Gehäuseschwenkungen zunimmt. Der Drehsinn des Kreiselrotors wird so gewählt, dass die durch die Wirbelströme verursachten Kräfte den Kreisel in der Richtung der Kamerabewegung nachstellen. Die durch die Wirbelstromkräfte hervorgerufene Kreiselnachstellung ist durch Servowirkung ziemlich genau an die Bewegung des Kameragehäuses angeglichen. Innerhalb eines kleinen Bereiches von Winkelabweichungen des Gehäuses ist durch entsprechende Ausbildung und Geometrie des Systems von Magnet und Rotor praktisch keine Nachstellwirkung vorhanden.
Zu diesem Zweck soll die Leitfähigkeit der Scheibe --53-- derartig sein, dass sich eine Abhängigkeit der Wirbelstromkräfte von der Wirbelabweichung des Gehäuses entsprechend den Fig. 5 und 6 ergibt. Diese Beeinflussung der Leitfähigkeit kann durch Anbringen von Rillen oder Schlitzen an der Oberfläche der Scheiben entsprechend Fig. 8 erzielt werden. Beim dargestellten Beispiel ist die Oberfläche der Scheibe--53-mit einer Mehrzahl, konzentrischer Schlitze oder Rillen--55--versehen, die in der Umgebung des Mittelpunktes dicht aufeinanderfolgen und mit zunehmendem Radius immer weiter voneinander entfernt sind. Auf diese Weise lässt sich die Oberflächenleitfähigkeit im mittleren Teil der Scheibe stark herabsetzen.
Im mittleren Teil der Scheibe, wo die Wirbelstromkräfte nahezu Null sind, wird der Kreisel nicht nachgeführt und bleibt daher ständig in Richtung der Visierlinie ausgerichtet.
In den Fig. 9 und 10 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Nachstelleinrichtung dargestellt, welche dazu verwendet werden kann, Nachstellkräfte mit einem Verlauf gemäss den Fig. 5 und 6 auf den Kreisel --38-- auszuüben. Bei dieser Ausführungsform werden die Nachstellkräfte durch mechanische Berührung zwischen aus dem Kreiselrotor herausragenden Stiften und vorzugsweise federnden Vorsprüngen, die mit dem Kameragehäuse verbunden sind, hervorgerufen. Mit dem Rotor - -42-- des Kreisels --38-- ist eine Scheibe --56-- von der Form eines Kugelabschnittes verbunden ; der Krümmungsmittelpunkt fällt vorzugsweise mit dem Zentrum der Bügel zusammen.
Auf der äusseren Oberfläche der Scheibe ist senkrecht dazu eine Vielzahl von Stiften --57 -- angeordnet, welche Stifte radial zum Zentrum der Bügel gerichtet sind. Es ist dabei wesentlich, dass in einem mittleren Bereich der Scheibe mit geringem Radius keine Stifte vorgesehen sind, wogegen ausserhalb dieses Bereiches die Dichte der Stifte mit grösser werdendem Radius zunimmt. Die Nachstelleinrichtung
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Vorsprüngen, die vorzugsweise radial zum Zentrum der Bügel gerichtet sind und deren Spitzen auf einem Kreis mit einem kleineren Radius als der mittlere, stiftfreie Bereich der Scheibe liegen.
Die Vorsprünge reichen so weit in die Nähe der Scheibe, dass bei einer Abweichung des Kreisels-38-, die einen kleinen vorherbestimmten Winkel von der Achse des Kameragehäuses übersteigt die Spitzen der Vorsprünge mit den Stiften--57--in Berührung kommen. Bei kleinen Winkelabweichungen tritt keine Berührung auf und wird keine Nachstellkraft auf den Kreisel ausgeübt. Der Kreisel bleibt daher ständig in Richtung der Visierlinie ausgerichtet. Wenn das Kameragehäuse z. B. bei einer Panoramaschwenkung um mehr als den kleinen vorherbestimmten Winkel bewegt wird, greifen die Vorsprünge des Kupplungsteiles--58--und die Stifte--57--der rotierenden Scheibe-56ineinander, so dass eine Nachstellkraft auf den Kreisel ausgeübt wird.
Die Nachstellkräfte sind tangential zur Scheibe und senkrecht zur Bewegung des Gehäuses gerichtet, so dass dadurch der Kreisel eine Ausweichbewegung in Richtung der Gehäusebewegung ausführt. Da die Dichte der Stifte mit grösser werdendem Radius zunimmt und daher bei zunehmender Winkelabweichung des Gehäuses in der Zeiteinheit eine grössere Anzahl von Stiften mit den Vorsprüngen des Kupplungsteiles in Berührung kommt, wird damit auch die Nachstellkraft grösser und erhöht die Nachstellgeschwindigkeit des Kreisels entsprechend der Schwenkgeschwindigkeit des Kameragehäuses. Durch passende Wahl der Stiftdichte ist eine Kennlinie der Nachstellkraft gemäss den Fig. 5 und 6 erzielbar.
Bei der Ausbildung der Vorsprünge des Kupplungsteiles sind zahlreiche Abänderungen möglich, wobei jedoch bei der Konstruktion darauf
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zu achten ist, dass beim Zusammenwirken mit dem Stiften nicht ausser der gewünschten Nachstellkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung des Gehäuses auch noch eine Kraftkomponente in der Bewegungsrichtung des Gehäuses entsteht. Bei Vorhandensein einer Kraftkomponente in der Bewegungsrichtung des Gehäuses können nämlich, wie bereits beim vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, wilde freie Schwingungen des Kreisels angefacht werden. Eine günstige Bauform des Kupplungsteiles besitzt eine Mehrzahl längs des Umfanges im Abstand voneinander angeordneter Borsten, die radial zum Zentrum der Bügel gerichtet sind und aus einer koaxial zur optischen Achse angebrachten Grundplatte herausragen.
Dabei ist der Kupplungsteil --58-- als runde Scheibe - aus Federmetall od. dgl. ausgebildet, die längs ihres Umfanges eine Vielzahl von zum Zentrum der Bügel konzentrischen Auszackungen-60-aufweist, welche tangential zu den rotierenden Stiften --57-- stehen.
Obwohl als Nachstelleinrichtungen hauptsächlich solche beschrieben wurden, welche eine Schubkraft übertragen, kann zur Übertragung selbstverständlich auch eine magnetische Anziehungskraft angewendet werden. Abweichungen des Kreisels --38-- von der optischen Achse können auf
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zugeleitet werden, die an einander gegenüberliegenden Stellen in lotrechter und waagrechter Richtung wie an den Eckpunkten eines Quadrates angeordnet sind und auf einen magnetischen Anker wirken, der z. B. koaxial am Kreiselgehäuse-43--befestigt ist. Wenn eine Abweichung festgestellt wird, erhält ein bestimmter Magnet ein Fehlersignal und zieht den Anker in der entsprechenden Richtung an um den Kreisel so nachzustellen, dass der festgestellte Fehler kompensiert wird.
Es ist klar, dass bei einer derartigen Anordnung keine Schubkräfte auf den Kreiselrotor --42-- übertragen werden und daher auch keine Verzögerung seiner Drehbewegung eintritt. Ausserdem werden keine Kräfte oder Momente auf den Kreisel übertragen, die wilde freie Schwingungen anfachen könnten.
Es ist zu beachten, dass man bei Verwendung einer Kamera mit einer stabilisierten Optik der beschriebenen Art im Sucher nicht erkennen kann, ob man unbeabsichtigte Bewegungen mit der Kamera ausführt. Zu grosse Bewegungen können die Nachstelleinrichtung aber in Tätigkeit setzen. Deshalb erscheint es wünschenswert dem Benützer der Kamera anzuzeigen, wie genau er die Kamera ausgerichtet hält. Zu diesem Zweck können verschiedene Anzeigevorrichtungen verwendet werden. Eine einfache derartige Vorrichtung ist nur zum Zweck der Erläuterung in Fig. 4 dargestellt. Dabei weisen
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erstrecken sich zwischen Fenster und Skalenblatt in den vorspringenden Gehäuseteilen, so dass sie durch die Fenster sichtbar sind.
Die Zeiger--71 und 72--können sich frei bewegen und zeigen auf den
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bleiben, ist die Kamera gut ausgerichtet und der Kreisel wird nicht nachgestellt.
Vorstehend wurde die Anwendung der erfindungsgemäss stabilisierten Optik bei Filmaufnahmekameras beschrieben ; so ist aber auch die Anwendung bei Photoapparaten vorteilhaft, um bessere und schärfere Aufnahmen zu erzielen. Dabei bleibt die Kompensationseinrichtung im wesentlichen gleich, aber die Nachstelleinrichtung für den Kreisel entfällt. Durch Anwendung des stabilisierten Linsensystems sind auch Zeitaufnahmen ohne die sonst notwendige stabile Unterstützung, z. B. durch ein Stativ, möglich.
Eine stabilisierte Optik der beschriebenen Art ist nicht ausschliesslich bei photographischen Einrichtungen anwendbar, sondern prinzipiell auch bei zahlreichen andern optischen Geräten, wie bei Ferngläsern, Teleskopen u. dgl., wobei ein Bildfeld zu betrachten ist, das für das Auge des Beobachters im Abstand von der Brennebene des Gerätes liegt und das gegenüber dem Gerätegehäuse beweglich ist. Eine gleiche Kompensationseinrichtung, wie sie bei photographischen Einrichtungen zur Anwendung kommen kann, bringt bei optischen Geräten der letzteren Art wohl eine wesentliche Verbesserung des Bildstandes, aber keine vollständige Kompensation, bei kleinen Winkelabweichungen des Gehäuses von der Visierlinie.
Bei diesen Geräten der letzteren Art ist es vorteilhaft, eine kleine zusätzliche
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Korrekturgrösse einzuführen, die der Vergrösserung des gesamten optischen Systems umgekehrt proportional ist. Genauer ausgedrückt, muss das stabilisierte Linsensystem eines optischen Gerätes, das ein Bildfeld liefert, zur Stabilisierung der Bildlage im Raum eine Unter- oder Überkompensation ergeben, je nachdem ein aufrechtes oder ein umgekehrtes Bild erzeugt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Kompensation zufälliger Bewegungen von optischen Geräten mit einem Gehäuse und einem daran oder darin angeordneten optischen System zur Fokussierung des einfallenden Lichtes, welches wenigstens einen Linsensatz enthält, der wenigstens aus einem positiven und einem negativen Glied besteht, wobei jeweils die eine Linse jedes Satzes gerätefest angeordnet und die andere pendelnd gelagert ist, so dass die Linsen eines Satzes ein Elementenpaar mit variabler Ablenkung bilden,
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senkrechte Achsen, die im wesentlichen senkrecht zu der durch die gerätefest angeordneten Linsen gehenden optischen Achse stehen, schwenkbar und mit einer Trägheitsstabilisierungsvorrichtung mit statisch ausbalancierten Massen versehen sind,
so dass sie unabhängig von einer in irgendeiner beliebigen Richtung erfolgenden zufälligen Bewegung oder Winkelabweichung des Gehäuses in vorgegebener räumlicher Orientierung festgehalten werden.
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